基于單流道和結構網格的濕式潛水泵數值模擬

李　松,　蔡　翔,　朱路飛,　周邵萍

(華東理工大學承壓系統與安全教育部重點實驗室,上海 200237)

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基于單流道和結構網格的濕式潛水泵數值模擬

李松,蔡翔,朱路飛,周邵萍

(華東理工大學承壓系統與安全教育部重點實驗室,上海 200237)

采用流場模擬軟件ANSYS-CFX對BQ1100-425型濕式潛水泵進行數值模擬,在完成網格無關性驗證的基礎上,分別研究了全流道與單流道模型,結構網格與非結構網格模型的數值模擬結果,如壓力、速度等內流場和揚程、效率等外特性。結果表明:全流道數值模擬相比于單流道能更準確地反映真實流場的流動情況,但計算時間較長,計算效率低。單流道數值模擬在一定范圍內能較好地反映真實流場的運行情況,且計算時間較短。結構網格與非結構網格都能準確反映實際流場的運行變化情況,但結構網格計算準確性更高,計算時間短,效率高。鑒于濕式潛水泵結構的復雜性,基于單流道結構網格的數值模擬方法能有效地模擬內流場并進行揚程、效率等性能預測。

離心泵; 全流道; 單流道; 結構網格; 非結構網格

隨著計算機技術的發展,數值模擬作為對泵結構性能研究的有效手段得到廣泛應用。在數值模擬過程中,網格是其基礎與載體,其質量的好壞對模擬結果準確性有重要影響,不同網格類型對其計算結果影響也較大[1-2]。劉厚林等[3]在節點數基本相同的條件下,對同一臺離心泵的結構網格、非結構網格和混合網格模型進行數值模擬,結果顯示三種網格結構都能較好地表現實際的流場運行情況,且結果相差不大。數值模擬有兩種方式,目前應用較為廣泛的是全流道數值模擬[3-5],其技術也較成熟,Abdelmadjid等[6]基于VOF空化模型對泵內全流道的三維空化湍流現象進行模擬,研究葉輪葉片的進口角與離心泵的空化性能的關系,結果顯示了動靜結合面對流體不穩定運行特性的影響,且與實驗結果吻合很好。另一種數值模擬方式是單流道模擬,離心泵等旋轉機械由于其流道結構具有周期對稱性,可采用單流道模型模擬全流道結構并對其性能進行研究。欒享宣等[7]對旋式通風機分別進行了全流道與單流道的模擬對比,發現單流道的數值模擬也能較好地顯示流場的運動情況。總的來說,目前鮮有對單流道泵方面的研究。由于單流道模型只需要計算整個流道的一部分,可以大大提高計算機運算速率,工作效率高,因此,研究濕式潛水泵單流道模擬準確性具有現實價值。

本文以BQ1100-425型濕式潛水泵為研究對象,在完成建模及網格無關性驗證的基礎上,對其數值模擬結果進行分析研究,分別對比了全流道與單流道模型,結構網格與非結構網格模型的數值模擬結果。

1　幾何建模與網格劃分

1.1計算模型

本文研究對象為BQ1100-425型濕式潛水泵,其主要設計性能參數和結構參數如表1所示。該泵結構主要由葉輪、吸水室、導葉、過渡體和壓水室等單元組成,其全流道與單流道模型分別見圖1、圖2所示。

表1　計算模型的主要性能和結構參數

圖1　濕式潛水泵全流道模型Fig.1　Full passage of the wet submersible pump

1—Pressurized water chamber;2—Front suction chamber;3,4,11—Diffusion tube;5,17—Primary impeller;6,9,13,15—Front guide vane;7,10,12,16—Back guide vane;8,14—Secondary impeller;18—Back suction chamber

圖2濕式潛水泵單流道模型

Fig.2Signal passage of the wet submersible pump

1.2網格劃分與無關性驗證

數值模擬計算運行速度與結果準確性很大程度上取決于網格質量的好壞,為控制網格數量,通過對比設計工況下不同網格數模型模擬得到的揚程與效率,當模擬計算得到的揚程與效率相對變化不大于2%時,即可以確認網格的無關性,不同網格數下的模擬結果見表2。

由表2可以看出,當網格數不低于3.935×106時,其模擬揚程與效率均在誤差可接受范圍內,所以當網格數量在4×106左右時所得到的數值解基本與網格數量無關,選取編號為2的網格是合適的。

1.3湍流模型

SST湍流模型全稱為 Shear Stress Transport,由Menter提出[8],該模型克服了標準k-ω模型對自由來流參數變化敏感的缺點,在近壁面附近采用k-ω模型,在遠離壁面的流場區域采用k-ε模型; 充分利用了k-ω模型對逆壓梯度流動模擬精度較高和k-ε模型對湍流初始參數不敏感的優點。SST模型綜合了k-ω模型和k-ε模型的優點,不僅能夠對各種來流進行準確預測,還可以在各種壓力梯度下精確地模擬分離現象,因此本文選用這一模型進行流場模擬。

表2　網格無關性驗證結果

SST湍流模型方程為

(1)

(2)

其中渦黏性vt的表達式為

(3)

(4)

(5)

雷諾應力表達式為

(6)

比耗散率的生成項近似表達式為

(7)

1.4模擬條件設定

本文所研究的濕式潛水泵含兩個進口和一個出口,由不同進口流入的流體匯流經壓水室排出。為了更真實地反映流場的變化情況,對葉輪及導葉的進、出口角,表面幾何尺寸變化較大的部位進行適當的網格加密,并設置邊界層。

進口條件:為使由兩個進口與出口分別計算的揚程相等,采用壓力進口邊界條件,壓力值由實際實驗時的大氣壓值與沒入水中的深度共同計算得到,湍流系數選擇軟件中的中等密度5%計算[9]。

出口條件:采用速度出口,假設其流體均勻排出,且速度方向垂直于出口,速度大小由流量與出口面積計算得到。

壁面條件:流動邊界采用無滑移固壁條件,對于固壁附近的流體流動采用標準壁面函數法確定。旋轉的葉輪區域采用旋轉坐標系,靜止區域采用靜止坐標系,動靜區的交界面采用“interface”設定,單流道的周期性邊界設置為軟件中的“Rotational Periodicity”。

2　單流道模擬的可行性研究

2.1流場分析

分別建立濕式泵的全流道與單流道模型,劃分非結構網格,兩種模型在進行網格劃分時,采用相同的全局尺寸控制,以及邊界層與區域加密等處理方式。在設計工況下進行數值模擬,為方便對比,同時列出全流道與單流道模型葉輪上的壓力與流線分布,如圖3和圖4所示。

從圖中葉輪上的壓力與流速分布可以看到:總的來說,全流道與單流道模型葉輪上的壓力與流速分布數值與變化趨勢相同。壓力在葉片邊緣處較大,隨著直徑減小壓力逐漸遞減,葉片尖端處壓力呈現突變現象。流速分布也從外向內逐漸遞減,葉片工作面的流速較大,向非工作面呈現遞減趨勢,且在非工作面附近流線呈現紊亂狀態。但全流道模型葉輪上壓力與流速并不是完全周期對稱,其中,首級葉輪邊緣有3處壓力呈現局部較大的三角分布,4個葉片壓力分布并不完全相同,非工作面上流速分布也有較大區別,大致呈現流線紊亂逐漸增大的分布現象,首級葉輪有1處漩渦現象較明顯,次級葉輪4個葉片上也有漩渦的趨勢,而單流道模型的首級葉輪無明顯漩渦現象,次級葉輪上的漩渦現象也較弱。可以看出,葉輪雖然在結構上具有周期對稱性,但其內部的流場變化情況并不是完全周期對稱,它會受到相連區域之間“溢流”、作用力等影響,具有一定的差異性。總體上全流道葉片上壓力與流速分布差異性不大,在葉輪高壓區,全流道與單流道壓力分布趨勢分析結果對應較好。由此可以看出在單流道模型中流體的分布與全流道有一定區別,但也能較好地反映實際流場運行情況。

2.2性能分析

圖5、圖6分別示出了全流道與單流道實驗值與模擬值得到的揚程與效率性能曲線(點表示5個工況下的實驗或模擬值,曲線是相應的擬合曲線),泵水力性能試驗數據由合肥恒大泵業有限公司提供。

圖3　葉輪壓力分布Fig.3　Pressure on the impellers

圖4　葉輪流線分布Fig.4　Streamline on the impellers

圖5　揚程對比Fig.5　Comparison of head-flow curve

圖6　效率對比Fig.6　Comparison of efficiency-flow curve

由圖5、圖6可以看出,全流道模擬結果與實驗變化趨勢相同,且得到的揚程與效率相比于實驗值有少許偏高,這是由于數值模擬沒有考慮摩擦等實際損失,與實際情況相符合。單流道模擬精確性相比于全流道較差,而且模擬值的準確范圍相對也較窄。以最佳工況點為中心的一定范圍內,模擬的準確性較高,能比較方便地反映流場的變化情況,但偏離最佳工況點較大時其模擬誤差較大。其原因一是由于流場運行時流體分布狀態并不是完全周期性對稱的,不同葉片之間流體存在狀態也有少許區別;二是由于相連單流道之間會產生相互作用,這對泵的運行性能也會產生一定的影響,因此造成單流道的計算誤差。

3　結構網格與非結構網格的模擬性能

本節以單流道模型為載體對比結構網格與非結構網格模型對泵流場模擬結果的準確性。在對模型進行結構網格劃分時,采用與非結構網格相同的總體尺寸控制值,邊界層等也采用相同處理。濕式潛水泵單流道網格模型如圖7所示。

圖7　濕式潛水泵單流道網格模型Fig.7　Single model of wet submersible pump

3.1結構網格的無關性驗證

對比結構網格模型在不同網格數設定工況下模擬得到的揚程與效率,結果如表3所示。

表3　網格無關性驗證結果

由表3可知,當網格數量分別為3.303×106和4.765×106時,揚程與效率的相對誤差均低于2%,所以當網格數取3.303×106時是合適的。

3.2性能分析

分別模擬相應流量下單流道結構網格與非結構網格下實驗值與模擬值的流場情況,得到其外特性性能曲線結果分別如圖8和圖9所示。

圖8　揚程對比Fig.8　Comparison of head-flow curve

由圖8～圖9可知,單流道的結構網格模擬得到的揚程與效率與實驗值很接近,且變化更為均勻,揚程與效率平均誤差分別為1.37%與0.54%,非結構網格也能較好反映實際流場變化情況,但相比于結構網格其準確性較低,揚程與效率誤差分別為1.44%與2.72%,可見結構網格相對于非結構網格,其模擬準確性要高,但結果相差不大。

圖9　效率對比Fig.9　Comparison of efficiency-flow curve

3.3流場分析

對比設定工況下結構網格與非結構網格葉輪上的壓力與流線分布,結果如圖10和圖11所示。

由圖10～圖11可以看出,在相同設定條件下,結構網格與非結構網格單流道模型模擬得到的葉輪上壓力與流速分布變化趨勢大體上相同。壓力較高區域都在靠近葉片邊緣與尖角處,由葉片邊緣往內逐漸遞減,二者流速數值相差不大,較大區域都集中在葉片前端尖角處,工作面往內流速分布都較大,且流線分布較均勻,非工作面上流速較小,流線分布都較紊亂。但結構網格與非結構網格的差異也較明顯。在壓力方面,結構網格兩級葉輪之間壓力降更大,次級葉輪壓力值也較非結構網格大,結構網格壓力分層明顯。在流速方面,結構網格葉片漩渦現象表現明顯,在次級葉輪上已經出現漩渦,且由于漩渦的影響,結構網格最大流速在工作面附近,非結構網格非工作面附近流線分布較紊亂,但沒有出現明顯的漩渦現象,最大流速則在非工作面尖角處。相比于結構網格,非結構網格尺寸難以控制,網格形狀與數據結構上的不同,也使得結構網格與非結構網格在數值模擬上存在一定的差異性,結構網格更適用于流體與表面應力集中計算的情況。

圖10　葉輪壓力分布Fig.10　Pressure on the impellers

圖11　葉輪流線分布Fig.11　Streamline on the impellers

4　結　論

(1) 全流道數值模擬能準確反映真實流場的流動情況,不過其計算域大,所需時間較長,計算效率低。單流道數值模擬在一定范圍內能較好地反映真實流場的流動情況,其計算結果雖不及全流道精確,但其計算時間短。鑒于目前泵結構的復雜性,單流道數值模擬方法在工程實際操作過程中對預測流場變化趨勢較為準確,具有可行性。

(2) 結構網格與非結構網格都能準確反映實際流場的運行變化情況,但結構網格計算準確性更高,且在計算過程中由于網格分布更為規范,其計算時間更短,能有效提高工作效率。鑒于結構網格生成比較復雜,在條件允許情況下,采用結構網格對流場進行數值模擬研究能得到更為準確的結果。

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Numerical Simulation of Wet Submersible Pump Based onthe Single Passage and Structured Grid

LI Song,CAI Xiang,ZHU Lu-fei,ZHOU Shao-ping

(Key Laboratory of Pressurized Systems and Safety,Ministry of Education,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

In this paper,the flow field of the wet submersible pump (BQ1100-425) was simulated by ANSYS-CFX,while the grid independence was validated.The numerical simulation results of full passage,single passage,structured grid and unstructured grid were studied respectively,such as the head,efficiency,the pressure and the streamline on the impellers.The results of full passage were more accurate compared with the signal passage,but its calculation time was longer.The signal passage could reflect the flow field characteristics well and its calculation time was shorter.The simulation results of structured grid and unstructured grid were accurate while the precision of the former was better and its calculation time was shorter.While the structure of the wet submersible pump is complex,it is feasible to study its flow field by the signal passage and structured grid modal.

centrifugal pump; full passage; single passage; structured grid; unstructured grid

1006-3080(2016)04-0580-07

10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.04.021

2016-01-28

國家科技支撐計劃(2013BAF01B01)

李松(1990-),男,湖北孝感人,碩士生,主要從事流體機械的數值模擬與結構優化。E-mail:songliecust@163.com

通信聯系人：周邵萍,E-mail:shpzhou@ecust.edu.cn

TH311

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